CC BY
71УДК 621.3
А.А. Кралин, Е.В. Крюков, А.А. Асабин
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ТИРИСТОРНОГО РЕГУЛЯТОРА ВЕЛИЧИНЫ И ФАЗЫ ВОЛЬТОДОБАВОЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Статья посвящена принципам работы тиристорного регулятора величины и фазы вольтодобавочного напряжения (ТРВДН) для распределительных сетей при продольном, поперечном и продольно-поперечном способах регулирования напряжения. Принципы работы ТРВДН пояснены с использованием векторных диаграмм. Представлены технические решения силовой части ТРВДН.
Ключевые слова: тиристорный регулятор, вольтодобавочный трансформатор, продольное, поперечное, продольно-поперечное регулирование, фазоповоротное устройство.
Управление потоками мощности в электрических сетях осуществляется в настоящее время с использованием устройств продольной, поперечной и продольно-поперечной компенсации к которым относятся фазоповоротные устройства, а также тиристорные регуляторы величины и фазы вольтодобавочного напряжения (ТРВДН). Напряжение на нагрузке в таких устройствах формируется из нескольких отрезков синусоид различной амплитуды [1-4]. Применение импульсно-фазового управления тиристорными ключами сопряжено с потреблением из питающей сети дополнительной реактивной мощности, а также наличием в кривых выходного напряжения и потребляемого тока высокочастотных гармонических составляющих. В связи с этим разработка ТРВДН с таким способом регулирования связана в основном с проблемами улучшения качества регулируемого напряжения, повышения коэффициента мощности и КПД.
Одним из направлений улучшения формы кривой регулируемого напряжения многоэлементных ТРВДН является применение вольтодобавочных трансформаторов (ВДТ). Напряжение на первичной стороне ВДТ регулируется с помощью тиристорных ключей, а вторичная обмотка включается последовательно с сетью или вторичной обмоткой главного трансформатора. Это позволяет, во-первых, регулировать значительные мощности, во-вторых, достаточно просто согласовывать параметры регулируемой цепи с параметрами питающей сети.
Один из вариантов возможного решения силовой части тиристорного регулятора представлен на рис. 1. Схема содержит один вольтодобавочный трансформатор TV1. К входным зажимам ТРВДН подключены первичные обмотки вольтодобавочного трансформатора, соединенные по схеме «треугольник». Модули продольного и поперечного регулирования выполнены на базе секционированных вторичных обмоток трансформатора TV1. Данные модули включены последовательно между входным и выходным зажимами каждой фазы ТРВДН. Тиристорные ключи ТК1-ТК6 всех фаз образуют модули поперечного регулирования. Включение регулировочных секций в диагональ тиристорного моста позволяет реверсировать напряжение соответствующей ступени регулирования. Секции вторичных обмоток ВДТ, коммутируемые тиристорными ключами ТК7-ТК10, рассчитаны на напряжение U2=e2. Они образуют модули продольного регулирования. Модули поперечного регулирования исключаются из работы при включенных коммутаторах ТК5-ТК6 и выключенных ТК1-ТК4. В данном режиме выходные напряжения ТРВДН равны соответствующим входным напряжениям.
© Кралин А.А., Крюков Е.В., Асабин А.А.
Проводящее состояние тиристорных ключей ТК4 и ТК5 реализует одну ступень поперечного регулирования. Поперечное регулирования напряжения фазы А осуществляется с помощью напряжения соседней фазы В пропорционального линейному напряжению -ивс.
Формирование векторов напряжения поперечного регулирования фаз В и С осуществляется с помощью векторов пропорциональных напряжениям -исА и -илв. На рис. 2а представлена векторная диаграмма для данного режима работы. Следует отметить, что поперечное регулирование напряжения при включенных коммутаторах ТК5 и ТК2 позволяет увеличить угол сдвига между входными и выходными напряжениями практически в 2 раза (рис. 2б).
А е1в А1 А 2е1в А1
Рис. 2. Векторная диаграмма тиристорного регулятора при поперечном регулировании
Последовательное включение ТК3, ТК6 и ТК1, ТК6 позволяет получить на выходе ТРВДН напряжения, опережающие входные на углы а и 2а соответственно.
Следует отметить, что поперечное регулирование вызывает увеличение выходных линейных напряжений ТРВДН. Использование модулей продольного регулирования, выпол-
ненных на тиристорных ключах ТК7-ТК10, дает возможность стабилизировать выходные линейные напряжения по величине, а также обеспечить продольное регулирование. В диагональ тиристорного моста модуля продольного регулирования включены встречно - последовательно соединенные обмотки двух соседних фаз ВДТ.
В зависимости от режима работы тиристорных коммутаторов модуль продольного регулирования реализует три режима работы с синусоидальным выходным напряжением.
Вторичные обмотки ВДТ исключаются из работы при включенных коммутаторах ^Оа, Ж 10с, TK 8в, TK 8с, TK10А, ТСШв. Выходные линейные напряжения ТРВДН равны соответствующим входным напряжениям.
Снижение выходного напряжения при продольном регулировании осуществляется путем ввода в соответствующую линию разности э.д.с. ступеней продольного регулирования. В линию фазы А при включенных тиристорных коммутаторах ТК8а-ТК9с вводится е2С - е2А, в линию фазы В при включенных ТК10а-ТК9в вводится е2А-е2В, в линию фазы С при включенных ТК8в-ТК7с вводится в2С - е2А. На рис. 3а представлена векторная диаграмма, поясняющая данный режим работы. Увеличение выходного напряжения ФПУ осуществляется путем коммутации тиристорных ключей ТК7а, ТК10с, ТК7в, ТК8с, ТК9а, ТК10в (рис. 3 б).
А1
Рис. 3. Векторная диаграмма ФПУ при продольном регулировании
Следует отметить, что эффективное управление потоками мощности в распределительной электрической сети можно осуществить при совместном использовании модулей продольного и поперечного регулирования путем изменения величины и фазы выходного напряжения ТРВДН. В рассмотренной силовой схеме изоляция тиристоров находится под действием напряжения линии распределительной сети, что является существенным недостатком. Вопросы изоляции тиристоров в данном случае могут быть решены путем применения дополнительного согласующего трансформатора.
На рис. 4 представлена схема универсального ТРВДН для сетей среднего и высокого напряжения [3]. В отличие от схемы, представленной на рис. 1, в данном решении используется согласующий трансформатор. Тиристорные коммутаторы при этом вынесены в цепи вторичных обмоток шунтового трансформатора и находятся под низким напряжением. Кроме того, для работы устройства не нужно наличие заземленной нейтрали, что дает возможность использовать устройство не только в сетях высокого напряжения, но и в сетях низкого и среднего напряжения.
Как и в схеме, представленной на рис. 1, вторичные обмотки разбиты на равные секции, что облегчает коммутацию тиристоров. Модуль поперечного регулирования каждой фазы содержит одну регулировочную секцию, коммутируемую тиристорными ключами ТК1-ТК4. Использование только одной регулировочной секции в модуле поперечного регулирования упрощает конструкцию трансформатора и уменьшает количество тиристорных коммутаторов по сравнению со схемным решением, представленным на рис. 1 .
Рис. 4. Схема универсального ТРВДН для сетей среднего и высокого напряжения
Необходимо отметить, что выбор оптимального коэффициента трансформации регулировочных секций обеспечивает необходимый диапазон регулирования выходного напряжения. Использование импульсно-фазового регулирования тиристорными ключами при совместном использовании модулей продольного и поперечного регулирования позволяет плавно регулировать величину и фазу выходного напряжения устройства во всем диапазоне [4]. При этом лучшими регулировочными характеристиками обладает алгоритм двухзонного управления тиристорными ключами. Указанный алгоритм устраняет возможность возникновения колебательных процессов, а также исключает нерегулируемые интервалы в выходном напряжении. Использование двухзонного поочередного управления тиристорными ключами с синхронизацией по моментам перехода напряжения сети через ноль реализует регулирование напряжения в интервалах положительного и отрицательного знака мощности. Регулирование напряжения в интервалах положительного знака мощности осуществляется путем изменения угла управления а1. Регулирование напряжения в интервалах отрицательного знака мощности выполняется путем изменения а2. Таким образом, регулирование углов управления а1 и а2 приводит к изменению выходного напряжения в пределах регулировочной ступени [4].
В качестве примера, поясняющего формирование выходного напряжения при продольном регулировании, на рис. 5 представлены схема замещения ТРВДН, а на рис. 6 - временные диаграммы напряжений данного режима. Выходное напряжение ТРВДН при продольном, поперечном и продольно-поперечном регулировании формируется на различных интервалах с помощью синусоидальных функций. Используя метод припасовывания разложив кривую выходного напряжения в ряд Фурье можно определить ее гармонический состав.
\илв А
А С
Рис. 5. Схема замещения ТРВДН при продольном регулировании выходного напряжения
а)
б)
Рис. 6. Временные диаграммы работы ТРВДН при продольном регулировании в режиме:
а) повышения напряжения при изменении а1;
б) понижения напряжения при изменении а1
Следует отметить, что в спектре выходного напряжения отсутствуют постоянная составляющая и четные гармоники. Кроме того, в линейных напряжениях отсутствуют гармоники, кратные 3, так как они образуют систему напряжений нулевой последовательности. Кривая выходного напряжения с разложением до 15-й гармоники будет описываться выражением (1):
15
15
и
выхАВ
(/) = X в + X АС08 .
(1)
п=1
п=1
Коэффициенты Вп и Аи, определяются по формулам (2):
Вп = — |им (7)Б1И пШ&; Ап = — | и^ (t)соБ nШdt. (2)
Т о Т о
На рис. 7 в качестве примера представлены амплитудно-частотный (рис. 7а) и фазоча-стотный (рис. 7 б) спектры выходного напряжения ТРВДН при продольном регулировании в режиме понижения напряжения при а1 = 70° и угле нагрузки ф = 30о
т
т
UmAB* 11
0.25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
а)
V, град 180Т
90
- 90"
г
0 1 2 3 4 5 6 k 8 9 10 11 12 13 14
-180'
б)
Рис. 7. Амплитудно-частотный и фазочастотный спектр выходного напряжения ТРВДН
Выводы
0.75
0.5
n
n
1. Управление потоками мощности в распределительных электрических сетях целесообразно выполнять с использованием тиристорных регуляторов величины и фазы вольтодобавочного напряжения.
2. Для улучшения качества регулируемого напряжения разрабатываемые устройства должны обладать возможностью импульсно-фазового управления тиристорами между соседними уровнями синусоидального выходного напряжения в целях реализации плавного регулирования величины и фазы напряжения во всем диапазоне.
3. В сетях 6-20 кВ целесообразно использовать дополнительный согласующий трансформатор, позволяющий вывести тиристорные коммутаторы модулей продольного и поперечного регулирования на сторону низкого напряжения.
4. Увеличение коэффициента трансформации регулировочных секций вызывает возрастание амплитуд высших гармонических выходного напряжения ТРВДН. Это требует выработки рекомендаций по их ограничению в пределах, определяемых ГОСТ в отношении качества электроэнергии.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (соглашение №14.577.21.0242 о предоставлении субсидии от 26.09.2017, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57717X0242).
Библиографический список
1. Соснина, Е.Н. Исследование твердотельного регулятора напряжения и мощности в сети 6-20 кВ / Е.Н. Соснина, А.А. Асабин, Р.Ш. Бедретдинов, А.А. Кралин // Сборник трудов 2-й Международной научно-технической конференции «Проминжиниринг». - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2016. - С. 322-327.
2. Соснина, Е.Н. Тиристорный регулятор величины и фазы вольтодобавочного напряжения в распределительных электрических сетях 6-10 кВ / Е.Н. Соснина, А.А. Асабин, А.А. Кралин, Е.В. Крюков // Актуальные проблемы электроэнергетики: сборник научно-технических статей, 2017. - С. 132136.
3. Пат. на изобретение № 2621062. Тиристорное фазоповоротное устройство с вольтодобавочным трансформатором для сети среднего напряжения / Соснина Е.Н., Асабин А.А., Кралин А.А., Крюков Е.В. 2017. Бюл. №16.
4. Асабин, А.А. Энергетические показатели тиристорного регулятора переменного напряжения с вольтодобавочными трансформаторами при поочередном двухзонном управлении / А.А. Асабин, А.А. Кралин // Интеллектуальная электротехника. - 2018. - № 2. - С. 93-104.
Дата поступления в редакцию: 26.04.2019
A.A. Kralin, E.V. Kryukov, A.A. Asabin
OPERATION PRINCIPLES OF THYRISTOR CONTROLLER MAGNITUDE AND PHASE OF THE BOOSTER VOLTAGE DISTRIBUTION NETWORKS
Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeev
Purpose: The article is devoted to the principles of operation of the thyristor regulator of the value and phase of the booster voltage for distribution networks with longitudinal, transverse and longitudinal - transverse voltage regulation method.
Design/methodology/approach: The operation principles of thyristor controller magnitude and phase of the booster voltage are explained using vector diagrams. Technical solutions of power circuit are presented.
Key words: thyristor regulator, booster transformer, longitudinal, transverse, longitudinal-transverse regulation, phase-shifting device.
